朱小平

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

連桿靜動態(tài)強度計算的對比及應用

朱小平

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

傳統(tǒng)的連桿強度分析多采用靜態(tài)強度分析方法，忽略了連桿軸承的潤滑作用和連桿在工作運轉過程中的動態(tài)效應。而動態(tài)強度分析方法則可以分析連桿軸承的潤滑性能，并能考慮動態(tài)效應，因而更加全面和準確。隨著內燃機的不斷強化，動態(tài)效應的影響將逐漸增大，因此有必要進行更準確的動態(tài)強度分析。本文針對某型號連桿，分別采用靜態(tài)計算和動態(tài)計算2種方法計算應力場和疲勞安全系數(shù)。結果表明對連桿進行動力學的研究具有重要意義。

連桿 靜動態(tài)強度 多體動力學

1 前言

連桿是連接活塞與曲軸的一個重要零部件，是內燃機的主要運動受力零部件之一，工作中經受拉伸、壓縮、彎曲等交變載荷的作用，機械負荷嚴重，工作條件惡劣[1]。因此，連桿的可靠性是人們在內燃機研究和改進過程中關注的熱點。在設計發(fā)動機時，要保證連桿具有足夠的結構剛度和疲勞強度，盡可能地達到質量小、體積小、形狀合理，并最大限度地減緩應力集中。

傳統(tǒng)的研究方法是基于靜態(tài)的拉壓工況來分析和研究連桿的應力分布，忽略了連桿軸承的潤滑作用和連桿在運動過程中的動態(tài)響應等因素。而在動態(tài)計算中，活塞銷和軸承的力是通過油膜來傳遞，因而更符合實際情況。所以，對連桿進行更為準確的動態(tài)應力分析，得到更為精確的連桿疲勞壽命分析將顯得尤其重要。

本文針對某型柴油機連桿，首先建立多體動力學分析模型，然后基于動力學計算結果進行動態(tài)應力和疲勞安全系數(shù)的計算，并對靜態(tài)計算結果進行對比。

2 連桿動力學仿真模型的建立

本節(jié)內容包括連桿軸承的流體動力潤滑性能分

析和動態(tài)應力分析。必須建立連桿用于多體動力學計算的有限元模型，然后對連桿模型進行模態(tài)縮減。在AVL-EXCITE軟件中，讀取它經過模態(tài)縮減后的幾何、主自由度、質量矩陣、剛度矩陣等信息，并且用連接體模型進行裝配，然后進行連桿非線性動力學計算。

來稿日期：2012-08-28

2.1 連桿柔性體有限元模型的建立

有限元網格的劃分需要考慮單元類型和單元數(shù)量等方面的問題。軸承潤滑分析中的雷諾方程是采用有限差分方法來進行求解的。差分網格由軸瓦內表面的矩形單元確定，而矩形單元是由軸頸中心節(jié)點和軸瓦表面節(jié)點連接而成。因此，在本文中，EHD計算的模型單元選擇一階六面體單元。

根據EXCITE軟件的要求，將連桿體、連桿蓋、軸瓦、螺栓和襯套建成為一體，并忽略油孔。建立的連桿動力學網格模型如圖1所示。

圖1 連桿動力學網格模型圖

2.2 連桿多體動力學仿真模型的建立

連桿多體動力學仿真模型的建立包括連桿動力學網格模型的模態(tài)縮減、連接體屬性的建立、仿真模型參數(shù)的設置和工況等的確定。

有限元中常用的4種動力縮減方法為靜態(tài)凝聚縮減、廣義動力縮減、模態(tài)縮減及部件模態(tài)綜合。本文采用ABAQUS的模態(tài)縮減法將連桿彈性體結構壓縮到主自由度節(jié)點，并保留所有方向的自由度。獲得表征連桿固有特征的質量、動態(tài)剛度矩陣、幾何和自由度特征。同時保留襯套和軸瓦內表面節(jié)點的平動自由度。縮減后的連桿模型如圖2所示。處于中間單獨的點為連桿的質心點，而兩端分別為襯套和軸瓦內表面的節(jié)點。

各彈性體之間通過連接體裝配在一起，模擬它們之間的相對運動關系，并通過連接體傳遞力和力矩。最后建立的連桿多體動力學仿真模型如圖3所示。

圖2 連桿縮減模型圖

圖3 連桿多體動力學仿真模型

3 連桿的靜動態(tài)強度計算

3.1 動力學仿真結果

動力學結果可以用來評價軸承的潤滑性能，并為動態(tài)應力計算提供邊界條件。軸承的潤滑性能評價指標主要有最大油膜壓力和最小油膜厚度，而接觸壓力分析、軸瓦變形分析和機油填充率分析則是重要的補充。一般車用發(fā)動機連桿軸承的要求為：最大油膜壓力小于100～150 MPa；最小油膜厚度大于1.0～1.5 μm[2]。

圖4為一個工作循環(huán)下最大油膜壓力和最小油膜厚度的計算結果。由圖中可以看出，一個工作循

環(huán)內，最大油膜壓力最大值為101 MPa，最小油膜厚度最小值為4.36 μm，均符合要求。

圖4 最大油膜壓力和最小油膜厚度

圖5 為一個工作循環(huán)下最大油膜壓力最大值時對應的2D和3D云圖。由圖中可以得出，油膜壓力分布在上瓦對稱面處呈拋物線分布，總體分布均勻。

圖6為平均總壓和平均接觸壓力圖。由圖中可以看出，接觸壓力在總壓中所占比例偏大，影響較大，一旦潤滑變差，將出現(xiàn)摩擦表面直接粗糙接觸的情況。

圖7為軸瓦徑向變形均值和間隙均值，由圖中可以看出，軸瓦變形均勻，不會出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象。

3.2 連桿的靜動態(tài)應力計算與對比

連桿的動態(tài)應力計算是基于動力學的仿真結果計算，而連桿的靜態(tài)應力計算則采用傳統(tǒng)方法。

為便于對比分析，靜態(tài)計算和動態(tài)計算采用相同的網格模型。連桿的強度分析包括3個工況，即裝配工況、最大拉伸工況和最大壓縮工況。裝配工況載荷包括螺栓預緊力和過盈裝配力。當活塞位于進氣沖程上止點時，連桿處于最大拉伸工況；而當活塞位于燃燒膨脹行程上止點附近時，連桿則處于最大壓縮工況。因裝配工況中，靜態(tài)和動態(tài)分析中載荷一致，因此本文只對比壓縮工況和拉伸工況。

圖5 最大油膜壓力2D和3D云圖壓力/MPa

圖6 平均總壓和平均接觸壓力結果

圖8 和圖9分別是最大壓縮工況和最大拉伸工況的對比圖（圖中左邊為動態(tài)結果，右邊為靜態(tài)結果）。為便于對比，在連桿的桿身取對應節(jié)點進行對比，如表1所示。

圖7 軸瓦徑向變形平均值和平均間隙結果

圖8 最大壓縮工況連桿應力分布圖

圖9 最大拉伸工況連桿應力分布圖

表1 動態(tài)和靜態(tài)結果應力對比

4 疲勞計算結果的對比與分析

圖10是連桿動態(tài)疲勞和靜態(tài)疲勞計算結果的比較。圖中左邊為動態(tài)計算結果，右邊為靜態(tài)計算結果。由圖中可以看出，桿身的動態(tài)疲勞安全系數(shù)比靜態(tài)計算的結果稍大些，總體分布趨于一致。圖11是連桿蓋螺栓孔肩部疲勞安全系數(shù)的對比，圖中上側云圖為動態(tài)計算結果，下側云圖為靜態(tài)計算結果。

由圖中可以看出，連桿蓋的圓角應力集中區(qū)域中的動態(tài)結果最小安全系數(shù)為1.4，而靜態(tài)結果最小安全系數(shù)為1.7，參見表2。因此，動態(tài)疲勞安全系數(shù)比靜態(tài)計算的結果更小些。所以，在以后的連桿設計中，需要注意應力集中區(qū)域的優(yōu)化。

5 結論

（1）根據動力學結果分析了連桿軸承的潤滑性能，結果表明，連桿軸承的潤滑性能良好。

（2）靜態(tài)計算總體上符合設計的要求，而動態(tài)

圖10 連桿疲勞安全系數(shù)分布圖

計算可以考慮油膜及動態(tài)效應對連桿應力分布的影響，并且能夠得到連桿在一個工作循環(huán)下的應力分布。因此，動態(tài)應力分析更加全面和準確，是連桿強度分析的發(fā)展趨勢。

Comparison and Application of Static and Dynamic Strength of Connecting Rod

Zhu Xiaoping
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

The traditional str ength analysis of connecting rod almost uses static strength analysis method,ignoring the effect of bearing lubrication and the dynamic effect of connecting rod on its operation process.Dynamic strength analysis method can analyse bearing lubrication performance of connecting rod, and can consider the dynamic effect,and thus it is more comprehensive and accurate.With the continuous specific-power enhancement of internal combustion engine,the dynamic effect will increase gradually. Therefore,the dynamic strength analysis as a more accurate method is necessary.In this paper,the stress and fatigue safety of some connecting rod were calculated by using static method and dynamic method.The results show that dynamics study of connecting rod is of important significance.

connecting rod,static and dynamic strength,multi-body dynamics

朱小平（1987-），男，碩士，主要研究方向為結構疲勞可靠性。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.01.004